Исследователи напечатали на 3D-принтере миниатюрный вакуумный насос

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Масс-спектрометры — это чрезвычайно точные химические анализаторы, которые имеют множество применений: от оценки безопасности питьевой воды до обнаружения токсинов в крови пациента. Но создание недорогого портативного масс-спектрометра, который можно было бы использовать в отдаленных местах, остается сложной задачей, отчасти из-за сложности миниатюризации вакуумного насоса, необходимого для его работы, при низкой стоимости.

Исследователи Массачусетского технологического института использовали аддитивное производство, чтобы сделать важный шаг к решению этой проблемы. Они напечатали в 3D миниатюрную версию вакуумного насоса, известного как перистальтический насос, размером примерно с человеческий кулак.

Их насос может создавать и поддерживать вакуум, давление которого на порядок ниже, чем у так называемого сухого грубого насоса, которому не требуется жидкость для создания вакуума и который может работать при атмосферном давлении. Уникальный дизайн исследователей, который можно напечатать за один проход на 3D-принтере из нескольких материалов, предотвращает утечку жидкости или газа, одновременно сводя к минимуму тепло от трения во время процесса откачки. Это увеличивает срок службы устройства.

Этот насос можно было бы включить в портативный масс-спектрометр, используемый, например, для мониторинга загрязнения почвы в изолированных частях мира. Устройство также может быть идеальным для использования в геологоразведочном оборудовании, предназначенном для Марса, поскольку запустить легкий насос в космос будет дешевле.

«Мы говорим об очень недорогом оборудовании, которое при этом очень функционально», — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL) и старший автор статьи, описывающей новый насос. «Что касается масс-спектрометров, то 500-фунтовая горилла в комнате всегда была проблемой насосов. То, что мы показали здесь, является новаторским, но это возможно только потому, что оно напечатано на 3D-принтере. Если бы мы хотели сделать это стандартным способом , мы бы и близко не были

В работе над статьей к Веласкесу-Гарсии присоединяется ведущий автор Хан-Джу Ли, бывший постдок Массачусетского технологического института; и Хорхе Каньяда Перес-Сала, аспирант электротехники и информатики. Статья появляется сегодня в журнале «Аддитивное производство».

Проблемы с насосом

Когда образец прокачивается через масс-спектрометр, он очищается от электронов, превращая его атомы в ионы. Электромагнитное поле манипулирует этими ионами в вакууме, поэтому можно определить их массы. Эту информацию можно использовать для точной идентификации компонентов образца. Поддержание вакуума является ключевым моментом, поскольку, если ионы столкнутся с молекулами газа из воздуха, их динамика изменится, что снизит специфичность аналитического процесса и увеличит количество ложноположительных результатов.

Перистальтические насосы обычно используются для перемещения жидкостей или газов, которые могут загрязнять компоненты насоса, например химически активные химикаты. Они также используются для перекачивания жидкостей, которые необходимо поддерживать в чистоте, например крови. Перекачиваемое вещество полностью содержится в гибкой трубке, обернутой вокруг набора роликов. Ролики прижимают трубку к ее корпусу при вращении. Защемленные части трубки расширяются вслед за роликами, создавая вакуум, который втягивает жидкость или газ через трубку.

Хотя эти насосы действительно создают вакуум, проблемы конструкции ограничивают их использование в масс-спектрометрах. Материал трубки перераспределяется под воздействием силы со стороны роликов, что приводит к образованию зазоров, вызывающих утечки. Эту проблему можно решить, если насос будет работать быстро, пропуская жидкость быстрее, чем она может вытечь. Но это вызывает чрезмерный нагрев, который повреждает насос, и зазоры остаются. «Чтобы полностью герметизировать пробирку и создать вакуум, необходимый для масс-спектрометра, механизм должен приложить дополнительную силу, чтобы сжать выпуклые области, что приведет к еще большему повреждению», — объясняет Веласкес-Гарсиа.